分布式 (五) --------- CAP 三进二和 Base 定理

客官°小女子只卖身不卖艺 2024-04-01 09:36 56阅读 0赞

#### 目录 ####

*  一、关系型数据库遵循 ACID 规则
 *  二、CAP 三进二
 *  三、一致性与可用性的决择
 *  四、CAP 理论的核心
 *  五、BASE 定理

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## 一、关系型数据库遵循 ACID 规则 ##

事务在英文中是 transaction，和现实世界中的交易很类似，它有如下四个特性：

*  **A (Atomicity) 原子性**  
    原子性很容易理解，也就是说事务里的所有操作要么全部做完，要么都不做，事务成功的条件是事务里的所有操作都成功，只要有一个操作失败，整个事务就失败，需要回滚。比如银行转账，从 A 账户转 100 元至 B 账户，分为两个步骤：
    
     *  从 A 账户取 100 元
     *  存入 100 元至 B 账户
    
    这两步要么一起完成，要么一起不完成，如果只完成第一步，第二步失败，钱会莫名其妙少了100元。
 *  **C (Consistency) 一致性**  
    一致性也比较容易理解，也就是说数据库要一直处于一致的状态，事务的运行不会改变数据库原本的一致性约束。
 *  **I (Isolation) 独立性**  
    所谓的独立性是指并发的事务之间不会互相影响，如果一个事务要访问的数据正在被另外一个事务修改，只要另外一个事务未提交，它所访问的数据就不受未提交事务的影响。比如现有有个交易是从 A 账户转 100 元至 B 账户，在这个交易还未完成的情况下，如果此时 B 查询自己的账户，是看不到新增加的 100 元的
 *  **D (Durability) 持久性**  
    持久性是指一旦事务提交后，它所做的修改将会永久的保存在数据库上，即使出现宕机也不会丢失。

## 二、CAP 三进二 ##

在分布式系统中，讲究 C:Consistency (强一致性)、A:Availability (可用性)、P:Partition tolerance (分区容错性)

CAP 的证明基于异步网络，异步网络也是反映了真实网络中情况的模型。真实的网络系统中，节点之间不可能保持同步，即便是时钟也不可能保持同步，所有的节点依靠获得的消息来进行本地计算和通讯。这个概念其实是相当强的，意味着任何超时判断也是不可能的，因为没有共同的时间标准。之后我们会扩展 CAP 的证明到弱一点的异步网络中，这个网络中时钟不完全一致，但是时钟运行的步调是一致的，这种系统是允许节点做超时判断的。

CAP 的证明很简单，假设两个节点集 `{G1, G2}`，由于网络分片导致 G1 和 G2 之间所有的通讯都断开了，如果不满足 P，则整个网络不可用，如果在G1 中写，在 G2 中读刚写的数据， G2 中返回的值不可能 G1 中的写值。由于 A 的要求，G2 一定要返回这次读请求，由于 P 的存在，导致 C 一定是不可满足的。

CAP 理论就是说在分布式存储系统中，最多只能实现上面的两点。 而由于当前的网络硬件肯定会出现延迟丢包等问题，所以分区容忍性是我们必须需要实现的。

所以我们只能在一致性和可用性之间进行权衡，没有任何分布式系统能同时保证这三点。

C:强一致性 A：高可用性 P：分布式容忍性 
    
    CA 传统Oracle数据库
    AP 大多数网站架构的选择
    CP Redis、Mongodb

> 注意：分布式架构的时候必须做出取舍。 一致性和可用性之间取一个平衡。多余大多数 web 应用，其实并不需要强一致性。

因此牺牲 C 换取 P，这是目前分布式数据库产品的方向

## 三、一致性与可用性的决择 ##

对于 web2.0 网站来说，关系数据库的很多主要特性却往往无用武之地。

**数据库事务一致性 ：** 需求很多 web 实时系统并不要求严格的数据库事务，对读一致性的要求很低， 有些场合对写一致性要求并不高。允许实现最终一致性。

**数据库的写实时性和读实时性需求** ：对关系数据库来说，插入一条数据之后立刻查询，是肯定可以读出来这条数据的，但是对于很多 web 应用来说，并不要求这么高的实时性，比方说发一条消息之后，过几秒乃至十几秒之后，我的订阅者才看到这条动态是完全可以接受的。

对复杂的 SQL 查询，特别是多表关联查询的需求。任何大数据量的 web 系统，都非常忌讳多个大表的关联查询，以及复杂的数据分析类型的报表查询，特别是 SNS 类型的网站，从需求以及产品设计角度，就避免了这种情况的产生。往往更多的只是单表的主键查询，以及单表的简单条件分页查询，SQL 的功能被极大的弱化了。

## 四、CAP 理论的核心 ##

CAP理论的核心是：一个分布式系统不可能同时很好的满足一致性，可用性和分区容错性这三个需求， 最多只能同时较好的满足两个。 因此，根据 CAP 原理将 NoSQL 数据库分成了满足 CA 原则、满足 CP 原则和满足 AP 原则三大类：

*  CA 单点集群，满足一致性，可用性的系统，通常在可扩展性上不太强大。
 *  CP 满足一致性，分区容忍必的系统，通常性能不是特别高。
 *  AP 满足可用性，分区容忍性的系统，通常可能对一致性要求低一些。

![在这里插入图片描述][f9460d512fe04593bd97ac584cee1d99.png]

## 五、BASE 定理 ##

BASE 就是为了解决关系数据库强一致性引起的问题而引起的可用性降低而提出的解决方案。

BASE其实是下面三个术语的缩写：

*  基本可用 (Basically Available)
 *  软状态 (Soft state)
 *  最终一致 (Eventually consistent)

它的思想是通过让系统放松对某一时刻数据一致性的要求来换取系统整体伸缩性和性能上改观。为什么这么说呢，缘由就在于大型系统往往由于地域分布和极高性能的要求，不可能采用分布式事务来完成这些指标，要想获得这些指标，我们必须采用另外一种方式来完成，这里 BASE 就是解决这个问题的办法。

分布式一致性理论 paxos、raft、zab 算法：

演示 Raft ：[http://thesecretlivesofdata.com/raft/][http_thesecretlivesofdata.com_raft]

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